油田壓力容器裂紋形成原因與預(yù)防探析

朱彥彥

（大慶油田裝備制造集團容器制造分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

壓力容器在油田生產(chǎn)中發(fā)揮著十分重要的作用。主要用于存儲水、氣、油等介質(zhì)，發(fā)揮換熱和分離等作用，分為換熱容器、分離容器和儲存容器等種類。壓力容器使用過程中，需要定期檢查，及時發(fā)現(xiàn)缺陷，通過有效檢查消除安全隱患，保障設(shè)備和生產(chǎn)線的安全運行。近年來，油田用壓力容器檢驗過程中發(fā)現(xiàn)較多的表面開裂現(xiàn)象，焊接部位出現(xiàn)放射性樹狀分布裂紋，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)穿透性裂紋，對生產(chǎn)效率和安全造成較大影響。為確保日常運轉(zhuǎn)的安全、高效，應(yīng)制定完善的檢查制度，及時對壓力容器進行檢查、檢驗，查找潛在危險，制定預(yù)防和解決措施。此外，還應(yīng)加大壓力容器的研究力度，從材料、特性等方面優(yōu)化抗裂紋能力，編寫維修方案，保證檢驗質(zhì)量，以保障安全生產(chǎn)。

1 壓力容器裂紋成因

油田用壓力容器的裂紋成因主要分為因內(nèi)外壓力差引起的裂紋、拉應(yīng)力引起的裂紋、焊接維修導(dǎo)致的裂紋以及錯邊產(chǎn)生的裂紋。深入分析裂紋成因，從根源出發(fā)制定合理有效的預(yù)防措施，才能有效防止裂紋的形成。

1.1 內(nèi)外壓力差產(chǎn)生的裂紋

在油氣生產(chǎn)過程中，壓力容器存儲的介質(zhì)除了液態(tài)的油類以外，還包括氣態(tài)物質(zhì)。存儲氣態(tài)物質(zhì)的壓力容器會受到溫度影響而產(chǎn)生壓力，在環(huán)境溫度升高的情況下，氣體會出現(xiàn)膨脹而形成較大壓力，導(dǎo)致壓力容器的內(nèi)壓超過外部壓力。壓力容器在長期內(nèi)外壓差作用下可能會出現(xiàn)裂紋，形成較大的安全隱患。

1.2 拉應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋

油田壓力容器存儲的介質(zhì)為液態(tài)物質(zhì)或氣態(tài)物質(zhì)的情況下，介質(zhì)會對壓力容器內(nèi)壁形成一定的壓力，內(nèi)部表面會形成一定縱向作用力。此非橫向作用力作用在容器外部與內(nèi)部通常呈現(xiàn)不均衡表現(xiàn)，存在一定的內(nèi)外差異，差異值會隨著容器壁厚度的增加而加大，導(dǎo)致壓力容器形成外部裂紋。

1.3 應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的裂紋

油田壓力容器介質(zhì)內(nèi)含H2S，從設(shè)備腐蝕和防腐技術(shù)方面考慮，需將其含量控制在（20～30）mg/L，而在實際生產(chǎn)過程中，介質(zhì)H2S 含量遠超過這一數(shù)值，導(dǎo)致壓力容器出現(xiàn)裂紋，可判斷為H2S 應(yīng)力腐蝕裂紋，也叫做硫裂。H2S 應(yīng)力腐蝕裂紋主要是在H2S 腐蝕介質(zhì)與受拉應(yīng)力材料共同作用導(dǎo)致的脆性破壞，是一種機械和電化學(xué)復(fù)合作用造成的破壞，介質(zhì)中H2S 遇到水后形成氫硫酸，隨著其中H+的電離，溶液表現(xiàn)為弱酸性，與壓力容器的金屬內(nèi)壁反應(yīng)而出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕。此外，氫離子捕獲電子后成為氫原子，由于較小的直徑，可能在金屬內(nèi)部擴散，在微裂紋、位錯和晶格缺陷等處聚集，使材料的脆斷性增加，H2S 應(yīng)力腐蝕裂紋是腐蝕介質(zhì)、拉應(yīng)力、材料等多方共同作用的結(jié)果。

1.4 焊接維修導(dǎo)致的裂紋

油田使用的壓力容器通常為長期運行的生產(chǎn)設(shè)備，漫長的使用過程中會出現(xiàn)不同程度的損耗，甚至?xí)l(fā)生損壞，油田企業(yè)出于成本的考慮，并不會直接更換而是采取焊接等維護、修理措施來保證壓力容器性能，延長使用壽命，但在焊接維修過程中容易產(chǎn)生裂紋。對相關(guān)壓力容器維修資料進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在焊接維修的部位通常會因集中的殘余應(yīng)力而導(dǎo)致裂紋和裂痕，這也是加大壓力容器裂紋生成風(fēng)險的一個重要因素。在壓力容器的焊接維修中，一般會采取環(huán)焊接和縱焊接兩種焊接手法，不同的焊接手法會導(dǎo)致形成裂紋的可能性不同，也會有不同的裂紋程度，相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，在壓力容器焊接維修中，相對于縱焊接，環(huán)焊接更容易出現(xiàn)裂紋。

1.5 錯邊現(xiàn)象產(chǎn)生的裂紋

導(dǎo)致壓力容器產(chǎn)生裂紋的因素復(fù)雜繁多。研究發(fā)現(xiàn)，在壓力容器生產(chǎn)制造過程中存在的錯邊現(xiàn)象很容易導(dǎo)致裂紋。因為壓力容器出現(xiàn)錯邊，加大了彎曲應(yīng)力，使整體集合應(yīng)力出現(xiàn)聚集，極大增加了壓力容器出現(xiàn)裂紋的可能性。

2 容易出現(xiàn)裂紋的部位和檢驗方法

解決壓力容器產(chǎn)生裂紋的問題，首先要分析容易出現(xiàn)裂紋的部位，再制定針對性的預(yù)防措施。應(yīng)力集中部位是第一個應(yīng)該關(guān)注的重點部位，如焊縫部位、明顯的焊接熱影響區(qū)；制造過程中出現(xiàn)相關(guān)問題并返修的部位；拼接部位；表面損壞或刮傷的部位；容器出現(xiàn)過泄漏的部位等。其次是關(guān)注容易發(fā)生腐蝕的部位，如壓力容器中容易留存污垢的坑、縫、孔等；介質(zhì)不容易出現(xiàn)流動的部位；容器的底部和頂部等。

明確容易出現(xiàn)裂紋的部位后確定檢驗方法。常規(guī)的檢驗方法主要包括宏觀檢查、表面探傷、硬度檢查和金相檢查等方式。宏觀檢查時通過放大鏡或直接用肉眼檢查容器內(nèi)部，重點檢查結(jié)構(gòu)突變等可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置。表面探傷可采取磁粉探傷方式，發(fā)現(xiàn)裂紋后再改用射線或超聲方式復(fù)驗，再次確認。硬度檢查時，如果檢查部位的硬度高于正常值的30%，要采取其他檢查方法復(fù)驗。金相檢驗用于容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的部位，如果組織中出現(xiàn)樹木根須狀或細長裂紋，則可能存在應(yīng)力腐蝕裂紋。

3 預(yù)防裂紋形成的措施

3.1 及時處理發(fā)現(xiàn)的問題

在壓力容器檢查過程中，如果發(fā)現(xiàn)問題，首先了解裂紋的長度和深度，如果裂紋較為細小、輕微，可通過打磨機打磨的方式處理裂紋。如果裂紋深度較大，則需要根據(jù)實際情況制定針對性的修補措施，焊接工藝也應(yīng)與設(shè)定的方案相匹配，經(jīng)維修滿足正常使用需求后才能再次投入使用。

3.2 嚴(yán)控原材料和制造工藝

在壓力容器使用過程中，受壓元件是重要的影響因素，盡量不選用焊縫排布不合理和十字型焊接等結(jié)構(gòu)方式。一般情況下，受壓元件首選材料應(yīng)具有抗硫化物應(yīng)力開裂（SCC）功能。在制造過程中，要從使用實際出發(fā)選定合理的制造方法，減少應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力聚集的情況。焊接、冷處理、熱加工等制造工藝的選擇也要符合制造和使用需求。

3.3 控制壓力容器使用環(huán)境

油田壓力容器使用過程中，油氣環(huán)境中或多或少會存在硫化氫成分，在提升環(huán)境pH 值的情況下，油氣環(huán)節(jié)對SSC 的靈敏程度會大幅減少。在生產(chǎn)系統(tǒng)具有各類條件優(yōu)勢的情況下，保證生產(chǎn)環(huán)境可控的前提下，可通過對環(huán)境pH 值進行調(diào)節(jié)來預(yù)防和緩解SCC。第二，減少油氣中的硫化氫含量是減少裂紋的一個重要途徑，可向介質(zhì)中添加緩蝕劑以減少硫元素的生產(chǎn)，以此減緩腐蝕速度。第三，可采取外部添加電源或陰極保護方案緩解腐蝕，如將鋁、銅等金屬物質(zhì)涂抹在焊接部位。

4 結(jié)語

油田的日常生產(chǎn)，對壓力容器的數(shù)量和質(zhì)量都提出了較高要求，壓力容器在腐蝕作用和壓力的影響下可能生成裂紋，會極大地縮短設(shè)備使用壽命。壓力容器出現(xiàn)裂紋可能會導(dǎo)致突發(fā)斷裂，影響生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時還可能造成人身財產(chǎn)損失。因此需要相關(guān)從業(yè)人員和研究人員加大研究力度，制定合理的預(yù)防措施，保證壓力容器的安全、高效運行。